(57)【要約】【課題】  本発明は、燃料ガスの循環流路に気液分離装置を設置する場合において、気液分離装置に流入させるアノードオフガスと、それに含まれる水分を吸湿するドライガスとの圧力を検出し、それら圧力を適正な範囲に制御することにより、アノードオフガスに含まれる水分を、気液分離装置を用いて効率良く除去する燃料電池システムを提供するものである。【解決手段】  本発明の燃料電池システムは、燃料ガスが供給されるアノードと、酸化剤ガスが供給されるカソードとを有する燃料電池と、アノードから排出されるアノードオフガスをアノードに供給するガス循環流路とを有し、アノードオフガスに含まれる水分を除去する気液分離装置をガス循環流路に配置するものであって、気液分離装置に供給するアノードオフガスの圧力及びそれに含まれる水分を吸湿するドライガスの圧力を、それぞれ検出するガス圧力検出手段を有することを特徴とするものである。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスが供給されるアノードと、酸化剤ガスが供給されるカソードとを有する燃料電池と、前記アノードから排出されるアノードオフガスを前記アノードに供給するガス循環流路とを有し、前記アノードオフガスに含まれる水分を除去する気液分離装置を前記ガス循環流路に配置する燃料電池システムにおいて、
前記気液分離装置に供給する前記アノードオフガスの圧力及び前記気液分離装置に供給する前記アノードオフガスに含まれる水分を吸湿するドライガスの圧力を、それぞれ検出するガス圧力検出手段を有することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池システムにおいて、
前記気液分離装置に供給する前記アノードオフガスの圧力を制御する圧力調整手段と、前記気液分離装置に供給する前記アノードオフガスに含まれる水分を吸湿するドライガスの圧力を調整する圧力調整手段とを有し、それぞれの圧力調整手段が前記ガス圧力検出手段の信号に基づいて制御されることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１記載の燃料電池システムにおいて、
前記気液分離装置が、中空糸膜を束ねた複数の移動相から構成される水透過膜型気液分離装置であることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
請求項１記載の燃料電池システムにおいて、
前記アノードオフガスの露点温度より前記ドライガスの露点温度が低いことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項５】
請求項３記載の燃料電池システムにおいて、
前記水透過膜型気液分離装置に設置される気液分離膜の内側にアノードオフガスを、外側にドライガスを流すことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項６】
請求項５記載の燃料電池システムにおいて、
前記アノードオフガスと前記ドライガスとを対向する方向に流すことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項７】
請求項１記載の燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池を構成するセルのセル電圧を検出するセル電圧検出手段を備え、前記セル電圧検出手段の検出値に基づいて、前記ドライガスの圧力を制御することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項８】
請求項１記載の燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池の温度を検出する温度検出手段を備え、前記温度検出手段の検出値に基づいて、前記ドライガスの圧力を制御することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項９】
請求項１記載の燃料電池システムにおいて、
前記燃料ガスの圧力を調整する調整弁と、前記アノードに供給される燃料ガスの圧力を検出する燃料ガス圧力検出手段とを備え、前記燃料ガス圧力検出手段により検出された燃料ガスの圧力が、所定の範囲内になるように前記調整弁の開閉タイミングを制御することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１０】
請求項９記載の燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池を構成するセルのセル電圧を検出するセル電圧検出手段を備え、前記セル電圧検出手段の検出値に基づいて、前記ドライガスの圧力を制御することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１１】
請求項９記載の燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池の温度を検出する温度検出手段を備え、前記温度検出手段の検出値に基づいて、前記ドライガスの圧力を制御することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１２】
請求項１記載の燃料電池システムにおいて、
前記アノードに供給される燃料ガスの露点温度を０〜１０℃とし、前記カソードに供給される酸化剤ガスの露点温度を３０〜５０℃とすることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１３】
請求項１記載の燃料電池システムにおいて、
前記ドライガスは、空気ブロアから供給させることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１４】
請求項１記載の燃料電池システムにおいて、
前記カソードから排出されるカソードオフガスを前記ドライガスとして、前記気液分離装置に供給することを特徴とする燃料電池システム。    
【請求項１５】
請求項１４記載の燃料電池システムにおいて、
前記カソードオフガスの窒素濃度を高める処理を行う窒素富化装置を有することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１６】
燃料ガスが供給されるアノードと酸化剤ガスが供給されるカソードとを有する燃料電池と、前記アノードから排出されるアノードオフガスを前記アノードに供給するガス循環流路と、前記ガス循環流路に設置され、前記アノードオフガスに含まれる水分を除去する気液分離装置と、前記ガス循環流路又は前記ガス循環流路から分岐した流路に設置され、前記アノードオフガスを大気中へ排出する排出弁と、を有する燃料電池システムにおいて、
前記アノードオフガスを前記排出弁から排出する際、前記カソードから排出されるカソードオフガスをアノードオフガスと混合して排出することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１７】
請求項１６記載の燃料電池システムにおいて、
前記アノードオフガスを排出するために使用する前記カソードオフガスの窒素濃度を高める処理を行うことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１８】
請求項１記載の燃料電池システムにおいて、
前記気液分離装置に流されたドライガスを、前記酸化剤ガスとして使用することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１９】
請求項１３記載の燃料電池システムにおいて、
前記空気ブロアから前記気液分離装置に至るドライガスの供給ラインから分離するバイパスラインを設けることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２０】
請求項１９記載の燃料電池システムにおいて、
前記バイパスラインに前記ドライガスの流量を調整する調整弁を設けることを特徴とする燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素と酸素との化学反応により電気エネルギーを発生させる燃料電池を備える燃料電池システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、アノードに燃料ガスを供給し、カソードに酸化剤ガスを供給し、発電するものである。
【０００３】
また、このような燃料電池を用いた燃料電池システムには、燃料ガスを効率的に使用するため、燃料電池のアノードから排出されるアノードオフガスを、アノードの燃料ガスとして循環させて供給するものがある。
【０００４】
特許文献１には、アノードオフガス中の水分を気液分離するため、燃料ガスの循環流路に気液分離部を配置した燃料電池システムが記載されている。
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−１５７８７３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
アノードから排出されるアノードオフガスに含まれる水分を効率良く除去するために、燃料ガスの循環流路に気液分離装置を設置する場合には、気液分離装置に流入させるアノードオフガスと、気液分離装置に流入させるアノードオフガスに含まれる水分を吸湿するドライガスとの圧力を検出することが重要であり、それら圧力を適正な範囲に制御することが大切である。
【０００７】
そこで本発明は、燃料電池のアノードから排出されるアノードオフガスに含まれる水分を、気液分離装置を用いて効率良く除去する燃料電池システムを提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の燃料電池システムは、燃料ガスが供給されるアノードと、酸化剤ガスが供給されるカソードとを有する燃料電池と、アノードから排出されるアノードオフガスをアノードに供給するガス循環流路とを有し、アノードオフガスに含まれる水分を除去する気液分離装置をガス循環流路に配置するものであって、気液分離装置に供給するアノードオフガスの圧力及び気液分離装置に供給するアノードオフガスに含まれる水分を吸湿するドライガスの圧力を、それぞれ検出するガス圧力検出手段を有することを特徴とするものである。
【発明の効果】
【０００９】
このような本発明は、燃料電池のアノードから排出されるアノードオフガスに含まれる水分を、気液分離装置を用いて効率良く除去することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明の実施の形態を説明する。
【００１１】
本形態に記載した燃料電池システムは、燃料極であるアノードに水素を含む燃料ガスが供給され、空気極であるカソードに酸素を含む酸化剤ガスが供給されて発電する燃料電池と、アノードから排出される未反応燃料ガスを含むアノードオフガスを、再びアノードに供給するガス循環流路と、ガス循環流路に配置されアノードオフガスに含まれている水分を除去する気液分離装置とを有するものである。
【００１２】
ここで、気液分離装置は、水透過膜型であることが好ましい。
【００１３】
気液分離装置に供給するアノードオフガス及びアノードオフガスに含まれる水分を吸湿するドライガスの圧力を、制御することが重要である。その制御は、気液分離装置へそれぞれのガスが導かれる配管に配置されるガス圧力検出手段によってなされる。
【００１４】
気液分離装置に供給するアノードオフガスの圧力を制御する圧力調整手段と、気液分離装置に供給するドライガスの圧力を調整する圧力調整手段とを有し、それぞれの圧力調整手段がガス圧力検出手段の信号に基づいて制御されることが好ましい。
【００１５】
また、気液分離装置が、同心円状に重なった二つの筒状の移動相から構成される気液分離装置であることが好ましい。また、気液分離装置に設置される気液分離膜の内側にアノードオフガスを、外側にドライガスを流すことが好ましい。
【００１６】
そして、アノードオフガスの露点温度よりドライガスの露点温度を低くすることが好ましい。
【００１７】
さらに、アノードオフガスとドライガスとを対向する方向に流すことが好ましい。
【００１８】
また、以上のようなシステムにおいて、燃料電池を構成するセルのセル電圧を検出するセル電圧検出手段を備え、セル電圧検出手段の検出値に基づいて、ドライガスの圧力を制御し、燃料電池の温度を検出する温度検出手段を備え、温度検出手段の検出値に基づいて、ドライガスの圧力を制御してもよい。
【００１９】
ドライガスは、別置の空気ブロアから供給してもよい。空気ブロアから気液分離装置にドライガスを供給する場合、空気ブロアから気液分離装置に至るドライガスの供給ラインから分岐するバイパスラインを設けることも可能であり、バイパスラインにドライガスの流量を調整する調整弁を設けてもよい。これにより、気液分離装置へのドライガスの供給量を調整することもできる。このようにドライガス供給量を調整することにより、除去する水分量、即ち、アノードオフガスに含まれる水分量を調節可能であり、その結果、燃料ガスを最適な露点温度で供給することが可能である。
【００２０】
カソードから排出されるカソードオフガスをドライガスとして用い、気液分離装置に供給することも可能である。この際、カソードオフガスの窒素濃度を高める処理を行うことが好ましい。
【００２１】
また、本形態に記載した燃料電池システムは、燃料ガスが供給されるアノードと酸化剤ガスが供給されるカソードとを有する燃料電池と、アノードから排出されるアノードオフガスをアノードに再供給するガス循環流路と、ガス循環流路に設置され、アノードオフガスに含まれる水分を除去する気液分離装置と、アノードオフガスを大気中へ排出する排出弁とを有するものである。
【００２２】
このようなシステムにおいて、アノードオフガスを排出弁から排出する際、カソードから排出されるカソードオフガスを用いて希釈することが好ましい。なお、排出弁は、ガス循環流路又はガス循環流路から分岐した流路に設置されることが好ましい。
【００２３】
なお、ドライガスを空気ブロアから直接供給した場合、気液分離装置に流され、気液分離装置から排出されたドライガスを、酸化剤ガスとして使用することが可能である。
【００２４】
また、空気極に供給する酸化剤ガスは空気のことであるが、空気中の酸素濃度を変化させてもよい。
【００２５】
気液分離装置は、水透過膜を挟んで、露点温度の高いガスと露点温度の低いガスとが流れ、露点温度の高いガス中に含まれている水分が水透過膜を透過し、水透過膜を挟んで反対側を流れる露点温度の低いガスによって吸湿除去される構造である。
【００２６】
水透過膜を挟んで同心円状に形成された気液分離装置は、二つの移動相を対向するように形成するものである。水透過膜の両側に流れるガスの露点温度の差が大きいガスを流すことにより、また、気液分離装置に供給するドライガスの圧力をアノードオフガスのガス圧より大きくすることにより、より効率的に水分を除去することができる。
【００２７】
気液分離装置に用いられている水透過膜は、ガスバリア性及び水透過性の良い固体高分子膜を用いており、特に、燃料電池電解質膜に使われているフッ素系高分子膜を用いることが好ましい。尚、ガスバリア性とは、気液分離装置の内部において燃料ガスである水素ガスとドライガスとが、気液分離膜を介して混合されない性質、つまり、ガスを透過させない性質のことをいう。また、水透過性とは、水を透過させる性質のことをいう。
【００２８】
気液分離装置に用いられる水透過膜の形状を、例えば中空糸形状にすることで、圧力損失を低減させることも可能である。尚、中空糸膜の場合、アノードオフガスは中空糸形状の内側を流れ、その過程で水分が選択的に中空糸膜を透過し除去される。
【００２９】
セル電圧を検出するセル電圧検出手段を設ける場合、セル電圧が所定範囲を外れた際には、気液分離装置に供給するドライガスの圧力を調整することにより、ガス循環流路に滞留した水分を効率良く除去することができる。
【００３０】
例えば、セル電圧に異常が発生した場合の原因として、流路に水がたまるフラッテイング現象が考えられる。こうした際には、ドライガスとアノードオフガスとの圧力差を大きくするように制御することにより、こうした原因を解消することができる。
【００３１】
また、燃料電池の温度を検出する温度検出手段を設ける場合、燃料電池の温度が高い場合にはドライガスとアノードオフガスとの差圧を減少させ、燃料電池の温度が低い場合にはドライガスとアノードオフガスとの差圧を増大させることが可能であり、ドライガスとアノードオフガスとの差圧を燃料電池の温度に応じて制御し、アノードオフガスに含まれる水分を調節することができる。
【００３２】
また、燃料電池の温度を検出する温度検出手段を設ける場合、燃料電池の温度が高い場合にはドライガスの圧力を増大させ、燃料電池の温度が低い場合にはドライガスの圧力を減少させることが可能であり、ドライガスの圧力を燃料電池の温度に応じて制御し、アノードオフガスに含まれる水分を調節することができる。
【００３３】
また、燃料電池システムの外に外気の温度検出手段を設けることで、外気温度と燃料電池との温度を考慮して、ドライガスの圧力を制御することが可能になり、より効率よくガス循環流路に滞留した水分を調節することができる。
【００３４】
また、ガス循環流路には、アノードに供給される燃料ガスの圧力を検出する燃料ガス圧力検出手段を備えることが好ましく、燃料ガス圧力検出手段により検出された燃料ガスの圧力が、所定の範囲内になるように燃料ガスの圧力を調整する調整弁の開閉タイミングを制御することも可能である。これより、一定の燃料ガスの供給が可能であり、安定性が向上する。
【００３５】
なお、以上、圧力調整に関して記載しているが、圧力を調整すると同時に流量を調整可能にしてもよい。
【００３６】
アノードに供給する燃料ガスの露点温度を０〜１０℃とし、カソードに供給する酸化剤ガスの露点温度を３０〜５０℃とすることも可能である。これより、燃料ガスの水含有量が低い状態に保たれ、より安定な燃料電池システムが構築できる。
【００３７】
カソードから排出されるカソードオフガスを気液分離装置にドライガスとして供給することにより、アノードオフガスに含まれる水分を除去することもでき、酸化剤ガス供給用とドライガス供給用のガス供給手段を一つで賄うことが可能である。
【００３８】
なお、カソードオフガスを気液分離装置に導く前に吸湿してもよい。
【００３９】
気液分離装置に供給され、アノードオフガスの吸湿に用いられたドライガスを、酸化剤ガスとして使用することもでき、酸化剤ガス供給用とドライガス供給用のガス供給手段を一つで賄うことが可能である。
【００４０】
カソードオフガスの窒素濃度を高める処理を行い、ドライガスとして気液分離装置に供給することにより、アノードオフガスに含まれる水分を除去することもできる。ここで窒素濃度を高める処理とは、空気中の窒素より酸素が透過しやすい性質を有する膜を用いて、窒素濃度を９５〜９９％に高めることで、つまり窒素富化ガスを生成させることをいう。
【００４１】
また、アノード排出側と気液分離装置との間のラインから分岐したラインに、アノードオフガスを大気中へ排出する排出弁を設置することもできる。排出弁を介してアノードオフガスを大気中へ排出する際、窒素富化ガスを用いて、アノードオフガスを大気中へ排出可能な濃度に制御することも可能である。
【００４２】
このような燃料電池システムにより、効率よく燃料電池のアノードから排出されるアノードオフガスに含まれる水分を除去すると共に、コンパクトな燃料電池システムが提供される。
【００４３】
以下、具体的な実施の形態ついて図面を参照して説明する。
【００４４】
図１は、第１実施形態に係る燃料電池システムの全体構成を示す図である。
【００４５】
図１に示すように本形態の燃料電池システムは、燃料電池１１を有している。
【００４６】
燃料電池１１は、電解質に固体高分子電解質膜を用い、その両側に燃料極であるアノードと空気極であるカソードを形成し、さらにその外側をセパレータで挟持して形成された単位セルを複数積層して構成された燃料電池スタックからなる。
【００４７】
燃料電池１１は、燃料ガス供給手段０１から水素を含む燃料ガスをアノードに供給し、空気ブロア０２から酸素を含む酸化剤ガスをカソードに供給し、以下のような電気化学反応により発電を行う。
【００４８】
Ｈ2 → ２Ｈ+ ＋ ２ｅ-                                                 （１）
（１／２）Ｏ2 ＋ ２Ｈ+ ＋ ２ｅ- → Ｈ2Ｏ                              （２）
Ｈ2 ＋ （１／２）Ｏ2 → Ｈ2Ｏ                                         （３）
式（１）はアノードにおける反応を示したものであり、式（２）はカソードにおける反応を示している。そして、全体では、式（３）に示す反応が進行する。なお、カソードにおいて生成される水は生成水と呼ばれる。
【００４９】
この燃料電池システムは、燃料ガス供給手段０１から供給される水素を含む燃料ガスが、電磁弁機能を有する燃料ガス圧力調整弁２０（以下、調整弁２０），水素圧力センサ
２３，水素ガス供給流路３３を通り、アノードに供給される。
【００５０】
ここで圧力調整手段としての調整弁２０とは、燃料ガスの供給量を調整する弁のことであり、水素圧力センサ２３とは、燃料ガスが燃料電池１１に供給される直前に設置される燃料ガスである水素ガスの圧力を測定するセンサであり、水素ガス供給流路３３とは、燃料ガスがアノードに供給されるラインのことを示す。
【００５１】
また、アノードから排出された未反応燃料ガスを含んだアノードオフガスは、水素ガス循環流路３１を通り、水素ガス循環流路３１上に配置された気液分離装置１２によりアノードオフガスに含まれている水を取り除き、ポンプ１５から一定圧力で接合部３５に供給され、新鮮な燃料ガスと混合し、アノードへ再び供給される。
【００５２】
気液分離装置１２は、水透過膜を有し、水透過膜を挟んでアノードオフガスとドライガスとを対向するように流す仕組みである。ここでドライガスとはドライガス供給手段０３から供給されるガスのことをいう。
【００５３】
水透過膜には、ガスバリア性及び水透過性が高い固体高分子膜を用いる。ガスバリア性及び水透過性の高い水透過膜であれば、いかなるものでも使用できる。これより、アノードオフガスが水透過膜を挟んで反対側に流れるドライガスに混入することなく、アノードオフガス中の水分を取り除き、系外へ排出することが可能である。
【００５４】
また、水透過膜の形状を中空糸膜にすることで、圧力損失を低減させることも可能であり、アノードオフガスは中空糸膜の内側を流れ、その過程で水分が選択的に中空糸膜を透過し除去される。
【００５５】
制御装置４０は、ＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭ等からなるマイクロコンピュータとその周辺回路にて構成されている。そして制御装置４０は、アノード入口の圧力を計測する水素圧力センサ２３とアノード出口の圧力を計測するガス圧力検出手段としての水素圧力センサ２４との差、すなわちアノードの圧力損失を読み取り、調整弁２０の開度を調整する。
【００５６】
また、制御装置４０は、カソード入口の圧力を計測する酸化剤ガス圧力センサ２５とカソード出口の圧力を計測する酸化剤ガス圧力センサ２６との差、すなわちカソードの圧力損失を読み取り、その値とアノードの圧力損失値との差が、許容範囲内である３〜１７
kPa に収まるように調整弁２０及び電磁弁機能を含む酸化剤ガス圧力調整弁２１の開度を調整する。ここで、酸化剤ガス圧力調整弁２１とは、酸化剤ガスの圧力を調整する弁のことである。
【００５７】
制御装置４０は、燃料電池１１のセル電圧や温度の信号と、気液分離装置１２に導かれるドライガスの圧力を検出する圧力検出手段としてのドライガス圧力センサ３０や水素圧力センサ２４からの信号とに基づき、ドライガスの圧力を調整する圧力調整手段としてのドライガス圧力調整弁１９及び調整弁２０を制御する。
【００５８】
例えば、燃料電池１１が通常の運転状態より高温である場合は、燃料電池の水分が不足することが考えられる。こうした場合には、ドライガス圧力調整弁１９を調整し、ドライガスの圧力を増大させ、アノードオフガスに含まれる水分の吸湿を抑制することができる。また、調整弁２０を調整し、燃料ガスの圧力を減少させ、燃料電池の電解質膜のドライアップを防ぐことができる。
【００５９】
また、例えば、燃料電池１１のセル電圧が低下した場合は、燃料電池の水分が過剰になっていることが予想させる。こうした場合には、ドライガス圧力調整弁１９を調整し、ドライガスの圧力を減少させ、又は調整弁２０を調整し、アノードオフガスの圧力を増大させ、アノードオフガスに含まれる水分を除去することができる。
【００６０】
さらに、燃料電池１１の温度を検出する温度検出手段である温度検出センサ(図示せず)及び外気温度を検出する外気温度検出センサ（図示せず）を備え、燃料電池１１の温度が高い場合には、ドライガスとアノードオフガスとの差圧を減少させ、燃料電池の温度が低い場合にはドライガスとアノードオフガスとの差圧を増大させることが可能であり、ドライガスとアノードオフガスとの差圧を燃料電池の温度に応じて制御し、アノードオフガスに含まれる水分を調節することができる。
【００６１】
図１において、水素ガス循環流路３１から分岐した通路に配置された排気弁２２は緊急時を除いて、運転中に開閉することはないが、システムの起動・停止時にシステムをパージする目的で開閉を行う。なお、排気弁２２は、水素ガス循環流路３１に設置されてもよい。
【００６２】
空気ブロア０２から供給される酸化剤ガスは、酸化剤ガス圧力調整弁２１，酸化剤ガス圧力センサ２５，酸化剤ガス供給流路３４を通ってカソードに供給される。その際に、カソードから排出されるカソードオフガスは生成水を含んでいる。生成水を含んだカソードオフガスは酸化剤ガス循環流路３２を通ってポンプ１６から加湿器１３に供給され、空気ブロア０２から供給される酸化剤ガスの加湿に用いられる。
【００６３】
ここで酸化剤ガス供給流路３４とは、酸化剤ガスがカソードに供給されるラインのことである。また、酸化剤ガス循環流路３２とはカソードから排出されたカソードオフガスを加湿器１３に供給するラインのことであり、加湿器１３は生成水を含んだカソードオフガスを用いて酸化剤ガスを加湿する装置である。酸化剤ガスを加湿することにより、電解質膜のドライアップを防ぐことができる。
【００６４】
加湿器１３は、気液分離装置１２と同様な方法にて酸化剤ガスの加湿を行う。即ち、水透過膜を挟んで、水分を含んだカソードオフガスと酸化剤ガスとを対向するように流すことにより、カソードオフガス中に含まれている水分が水透過膜を透過し、水透過膜を挟んで反対側を流れる露点温度の低い酸化剤ガスに吸湿される。
【００６５】
加湿器１３に用いる水透過膜は、気液分離装置１２の場合とほぼ同様であるが、特に、水透過性の良い固体高分子膜を用いており、燃料電池１１の電解質膜に使われているフッ素系高分子膜を用いる。しかし、気液分離装置１２の場合と違って、ガスバリア性は重要ではなく、水透過性に優れる水透過膜であれば、いかなる種類でも適用することができる。
【００６６】
図１において、気液分離装置１２に供給するドライガス供給手段０３としては、パージ用に使用する目的で搭載されている、不活性ガスボンベや小型の空気ブロアなど、アノードオフガスよりも露点温度の低いガスであれば、どのような供給手段も適用することが可能である。
【００６７】
しかし、システムの小型，軽量，低コスト化を想定した場合、加湿器１３で加湿を行った後の排気ガスを、ドライガスとして用いることでより、システムをコンパクトにすることができ、またボンベ交換不要，動力源不要により低コスト化も実現できる。
【００６８】
図１において、同心円状に重なった二つの筒状の移動相から構成される気液分離装置
１２内の気液分離膜の内側にアノードオフガスを、外側にアノードオフガスより露点温度の低いドライガスを流すことにより、アノードオフガスに含まれる水分を除去する。
【００６９】
尚、ドライガスの流れる方向と水透過膜を挟んで反対側を流れるアノードオフガスの流れる方向が対向するように、つまり１８０°異なる方向に流れるような流路構造にすることで、水摂取面積の偏りを抑制できるため、より効率的に水の排出が可能である。
【００７０】
第１実施形態によれば、気液分離装置１２に供給するドライガスとして、加湿器１３を加湿する際に用いたカソードオフガスの排気ガスを使用した場合、気液分離装置１２を設置しない場合に比べ、４０℃程度だったアノードオフガスの露点温度を３０℃とすることが可能である。
【００７１】
このように、気液分離装置１２を設けることで、アノードオフガスに含まれている水を効率よく排出することが可能になり、アノードオフガスに含まれている水がガス流路を塞ぎ発電効率を著しく損なうといった問題が解消され、安定かつ効率的に発電が可能となる。
【００７２】
また、除去した水を溜める水貯蔵タンクなどが不要である上に、ドライガス供給用の空気ブロアを別に設置する必要がないことから、燃料電池システムの小型化，軽量化にも寄与できる。
【００７３】
また、このような気液分離装置１２を設置することにより、随時、水分が除去され、燃料電池システムの発電中に燃料ガスを用いて水分を大気外へ排出する必要が無く、安定な発電が可能となる。
【００７４】
また、このようなシステムは、燃料ガスを水分の排出に使用しなくて良いため、燃料利用率を著しく損なうことなく、特に、燃料貯蔵手段にボンベなど限られた燃料貯蔵手段を有するシステムに最適な燃料電池システムを提供することができる。
（第２実施形態）
図２は、本発明の第２実施形態に係る燃料電池システムの全体構成を示す図である。
【００７５】
図２に記載されるシステムは、第１実施形態でカソードから排出されるカソードオフガスライン上に窒素富化装置０４を配置したことを特徴とする燃料電池システムである。
【００７６】
図２において、窒素富化装置０４とは、例えばポリイミド製の中空糸膜が窒素より酸素を透過しやすい性質を利用したものであり、カソードオフガスが中空糸膜の内側を流れていく間に、酸素が選択的に膜を透過し、その結果、中空糸膜の出口で窒素の含有量が９０％以上の窒素富化ガスが得られる装置である。窒素富化装置０４を用いれば、より露点の低い窒素富化ガスをドライガスとして気液分離装置１２に供給することができる。
【００７７】
窒素富化装置０４の形状・材質に関しては、特段の限定は無く、適宜用いることができるが、現在、燃料電池システムの小型化が進んでいる。例えば、中空糸形状の窒素分離膜を束ねてモジュール化した構成の窒素富化装置０４を用いることが好ましい。この場合、窒素富化ガスの露点温度を−４０℃とすることができるため、アノードオフガスの露点温度が４０℃の場合、気液分離後のアノードオフガスの露点温度を約５℃程度とすることが可能である。
【００７８】
窒素富化装置０４により、窒素濃度の高められたアノードオフガスは、気液分離装置
１２に導かれドライガスとなり、その他のガスは加湿器１３に導かれる。
【００７９】
図２において、制御装置４０で３方向調整弁２７の開閉制御を行うことができる。水素ガスを大気中へ排出する際、窒素富化ガスを用いて、水素ガスを大気中へ排出可能な濃度に制御するように開度を調整する。それにより、より安全に未反応燃料ガスを排出することが可能である。
【００８０】
また、制御装置４０は、第１実施形態に示したように、燃料電池１１のセル電圧や温度の信号と、気液分離装置１２に導かれるドライガスの圧力を検出するドライガス圧力センサ３０や水素圧力センサ２４からの信号とに基づき、ドライガスの圧力を調整するドライガス圧力調整弁１９及び調整弁２０を制御する。
（第３実施形態）
図３は、本発明の第３実施形態に係る燃料電池システムの全体構成を示す図である。
【００８１】
図３において、気液分離装置１２は、図１における気液分離装置１２と加湿器１３とを併せた役割を有しており、その２つの装置を１つにすることにより、システムの小型，軽量化に寄与することができるものである。よって、ドライガスを酸化剤ガスとして使用することが可能であり、空気ブロアを一つでドライガス供給手段と酸化剤ガス供給手段を賄うことができる。
【００８２】
また、大気中の空気をドライガスとして使用するため、ドライガスの露点温度は１０℃程度であり、例えば、アノードオフガスの露点温度が約４０℃だった場合、気液分離後のアノードオフガスの露点温度は約１５℃程度とすることが可能である。
【００８３】
アノードオフガスを気液分離装置１２に供給し、水分を除去することで、未反応燃料ガスを含めたアノードに供給する燃料ガスの露点温度を０〜１０℃とし、水分をあまり含まない燃料ガスを供給することができる。
【００８４】
一方、カソードに供給する酸化剤ガスの露点温度を３０〜５０℃とすることで、アノード側で不足した水分量をカソード側から補い加湿バランスをとることができる。これにより、電解質膜のドライアップを防ぐことが可能であると同時に安定した燃料電池システムが提供できる。
【００８５】
制御装置４０は、アノード入口の圧力を計測する水素圧力センサ２３とアノード出口の圧力を計測する水素圧力センサ２４との差、すなわちアノードの圧力損失を読み取り、調整弁２０の開度を調整する。また、制御装置４０はカソード入口の圧力を計測する酸化剤ガス圧力センサ２５とカソード出口の圧力を計測する酸化剤ガス圧力センサ２６との差、すなわちカソードの圧力損失を読み取り、その値とアノードの圧力損失値との差が、許容範囲内である３〜１７kPa に収まるように、調整弁２０及び酸化剤ガス（ドライガス）圧力調整弁２１の開度を調整する。ここで、酸化剤ガス（ドライガス）圧力調整弁２１とは、酸化剤ガスを兼ねたドライガスの圧力を調整する弁のことである。
【００８６】
さらに、制御装置４０は、燃料電池１１のセル電圧，燃料電池１１の温度、及び燃料電池システム外の外気温度に応じて、ドライガス圧力センサ３０及び水素圧力センサ２４により検出されるドライガス圧力及び水素ガス圧力を、酸化剤ガス（ドライガス）圧力調整弁２１及び調整弁２０により制御することができる。
【００８７】
例えば、燃料電池が高温である場合、ドライガスの圧力を増大させて又は燃料ガスの圧力を減少させて、水分の吸湿を抑制することにより、燃料電池の電解質膜がドライアップすることを防ぐことが可能である。
【００８８】
また、空気ブロアから気液分離装置１２に至るドライガスの供給ラインから分離するバイパスライン３６及び調整弁２７を設けることにより、気液分離装置１２に供給するドライガスの供給量を調整することができる。
【００８９】
これにより、アノードオフガスから除去される水分を最適値に調整することができ、より安定な燃料電池システムを提供することが可能である。例えば、発電開始時は、露点温度を高く設定し、運転継続中に水が滞留し、水素ガス圧力センサ２３の信号が圧力の上昇を示す場合には、調整弁２０を絞るような制御をおこない、燃料ガスを最適な露点温度で燃料電池に供給することができる。
【００９０】
また、酸化剤ガス供給流路３４に加湿器を設け、カソードから排出され水分を含んだカソードオフガスを用いて、カソードに供給する酸化剤ガスを加湿することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００９１】
【図１】本発明を適用した第１実施形態にかかる燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
【図２】本発明を適用した第２実施形態にかかる燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
【図３】本発明を適用した第３実施形態にかかる燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
【００９２】
０１…燃料ガス供給手段、０２…空気ブロア、０３…ドライガス供給手段、１１…燃料電池、１２…気液分離装置、１３…加湿器、３１…水素ガス循環流路、３２…酸化剤ガス循環流路、３３…水素ガス供給流路、３４…酸化剤ガス供給流路、３６…バイパスライン、４０…制御装置。
【図１】
2007066781.tif 000003
【図２】
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【図３】
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